本文要點
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相控陣列天線 (Phased array antenna) 是一種具有電子轉向功能的(de)天線陣列，不需要天線進行任何物(wù)理(lǐ)移動，即可(kě)改變輻射訊號的(de)方向和(hé)形狀。這種電子轉向要歸功於陣列中每個天線的(de)輻射訊號之間的(de)相位差。 |
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相控陣列天線的(de)基本原理(lǐ)是兩個或多(duō)個輻射訊號出現依賴相位的(de)疊加。當訊號同相時，它們會結合在一起，形成一個幅度相加的(de)訊號。當訊號反相時，它們會相互抵消。 |
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共有三種類型的(de)相控陣列天線：1) 線性陣列，2) 平面陣列，和(hé) 3) 頻率掃描陣列。 |
相控陣列天線在 5G 通(tōng)信技術中的(de)應用(yòng)日益普及
您是否觀察過螞蟻搬運方糖的(de)過程？與螞蟻的(de)體型相比，方糖的(de)尺寸要大(dà)得(de)多(duō)。自然界中螞蟻的(de)這種行為證明(míng)，一支軍隊朝著同一方向合作，可(kě)以在更短的(de)時間內達成同一目標。
在無線傳輸中，天線陣列的(de)功能也(yě)基於同樣的(de)理(lǐ)念：人(rén)多(duō)力量大(dà)。相控陣列天線就是根據這一原理(lǐ)運行的(de)，與單個天線相比，它們的(de)訊號強度、增益、指向性和(hé)性能會更好一些。
相控陣列天線是如何工作的(de)？
相控陣列天線包括多(duō)個發射器，用(yòng)於高(gāo)頻射頻應用(yòng)中的(de)波束成形。相控陣列天線有三個常見的(de)應用(yòng)領域：WiFi、線性調頻雷達和(hé) 5G。相控陣列天線中的(de)發射器數量可(kě)以從幾個到幾千個不等。使用(yòng)相控陣列天線的(de)目的(de)是利用(yòng)兩個或多(duō)個輻射訊號之間的(de)建設性幹擾來控制發射波束的(de)方向。這在天線界稱為「波束成形 (beamforming)」。
相控陣列天線透過調整發送到陣列中每個發射器的(de)驅動訊號的(de)相位差來實現波束成形。因此，不需要天線進行任何物(wù)理(lǐ)移動，就可(kě)以控制輻射方向，使其指向一個目標。這意味著沿某一特定方向的(de)波束成形是全向發射器之間的(de)幹擾效應，例如 WiFi 中使用(yòng)的(de)偶極子天線。
這種相控陣列天線包含多(duō)個發射器，產生一個高(gāo)度定向的(de)輻射方向。
當相控陣中每個發射器發射的(de)訊號完全同相時，它們會發生建設性幹擾，產生強烈的(de)輻射，但這隻發生在特定的(de)方向上。這個方向是透過設置發送到不同發射器的(de)訊號之間的(de)相移來控制的(de)。要控制相移，對於發送到陣列中一系列連續發射器的(de)訊號，需要在它們之間設置一個輕微的(de)時間延遲。在主波束發射方向之外，波束強度下(xià)降。由於訊號是週期性的(de)，所以在波束方向圖中也(yě)會存在旁瓣，但確實可(kě)以沿著一個特定的(de)方向得(de)到一個非常強的(de)波束。
對比單極子天線和(hé)由單極子天線組成的(de)相控陣列天線。單極子天線在垂直於天線軸線的(de)平面內向所有方向發射訊號。當多(duō)個單極子天線構成相控陣時，波面會相互幹擾，形成一個平坦的(de)相位波面。
相控陣列技術的(de)優勢
相控陣列天線的(de)波束成形在高(gāo)頻率 (大(dà)約等於或高(gāo)於 WiFi 頻率) 下(xià)是必要的(de)，用(yòng)於克服傳輸過程中的(de)損失。有了(le)大(dà)小合適的(de)相控陣列天線，高(gāo)增益發射器的(de)輻射可(kě)以指向一個廣泛的(de)立體角。
相控陣列技術有助於增強集體訊號或輻射方向圖的(de)特徵。來自輻射器的(de)單個訊號和(hé)來自相控陣列天線的(de)集體訊號的(de)特徵就像彼此分(fēn)離的(de)兩極。形成陣列後，各種參數和(hé)數量都有所提升，具體可(kě)以總結為以下(xià)幾點：
1. |
功率： |
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聚合訊號的(de)功率是單個訊號功率的(de)總和(hé)，因此，強度會增加。 |
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2. |
波束成形： |
波束的(de)形狀可(kě)以由單個訊號的(de)相位差來控制，與單個天線相比，相控陣列天線的(de)輻射方向圖更窄。 |
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3. |
波束轉向： |
無需機械轉向，因此波束轉向或波束定位十分(fēn)靈活。波束轉向是透過電子可(kě)變移相器實現的(de)。 |
4. |
多(duō)波束： |
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在移相器的(de)幫助下(xià)，相控陣列天線可(kě)以合成數百個波束。 |
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5. |
可(kě)選數位 / 混頻器方案： |
移相可(kě)以透過類比或數位方式實現。類比移相器依靠的(de)是訊號的(de)下(xià)變頻和(hé)時移。數位方式指的(de)是對中頻 (IF) 混頻器或本地振盪器 (LO) 訊號進行移相。 |
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6. |
重量： |
相控陣列天線的(de)重量比機械轉向的(de)單個天線要輕。 |
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7. |
成本： |
機械轉向的(de)天線可(kě)以用(yòng)價格較低的(de)相控陣列天線取代，但解析度保持不變。 |
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8. |
可(kě)靠性： |
相控陣列天線的(de)可(kě)靠性要比單個天線高(gāo)得(de)多(duō)。如果一個陣列天線受損，陣列中的(de)其餘天線將繼續運行，但輻射方向圖會有輕微的(de)改變。 |
相控陣列天線的(de)類型
根據單個天線的(de)排列方式和(hé)移相器的(de)數量，相控陣列天線可(kě)分(fēn)為三種類型。具體如下(xià)：
1. |
線性陣列： |
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陣列元件擺放呈一條直線，有一個單相移位器。即使天線的(de)排列很簡單，但波束轉向也(yě)隻限於一個平面。幾個線性陣列垂直排列可(kě)以形成平面天線。 |
線性陣列天線
2. |
平面陣列： |
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對於平面陣列中的(de)每個天線，都配有一個移相器。各個天線呈矩陣排列，形成了(le)平面排列。波束可(kě)以在兩個平面上偏轉。平面陣列天線的(de)缺點是需要大(dà)量的(de)移相器。 |
平面陣列天線：a)側視圖 b)俯視圖
3. |
頻率掃描陣列： |
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如果波束轉向控制是發射器頻率的(de)一個函數，那麼利用(yòng)這種技術的(de)相控陣列天線就可(kě)稱為頻率掃描陣列天線。頻率掃描陣列天線中沒有移相器，波束轉向由發射器的(de)頻率控制。 |
a) 頻率掃描陣列天線結構 b) 波束的(de)傳播方向
未來的(de) 5G 通(tōng)信需要運用(yòng)各種關鍵技術，如多(duō)點接入、多(duō)波束、高(gāo)增益和(hé)超密集網路。天線設計師準備利用(yòng)相控陣列天線來滿足未來無線通(tōng)訊系統的(de)要求。
值得(de)一提的(de)是，提供電子轉向的(de)相控陣技術是射頻無線通(tōng)訊系統中的(de)一項資產。有了(le)相控陣列天線，就可(kě)以在不損失解析度的(de)情況下(xià)以電子方式增強發射或接收波束的(de)方向、強度和(hé)形狀。
譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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